2025年大學(xué)《生物信息學(xué)》專業(yè)題庫——比較基因組學(xué)在物種進(jìn)化研究中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、比較基因組學(xué)是研究不同物種基因組結(jié)構(gòu)、組成和演化差異的一門學(xué)科。請簡述比較基因組學(xué)的核心目標(biāo)及其在理解物種進(jìn)化過程中的主要作用。二、基因組間序列比對是比較基因組學(xué)的基礎(chǔ)。請簡述局部序列比對和全局序列比對的主要區(qū)別，并說明在比較兩個(gè)結(jié)構(gòu)差異較大的基因組時(shí)，哪種比對策略可能更適用，為什么？三、系統(tǒng)發(fā)育樹是展示物種進(jìn)化關(guān)系的重要工具。請比較基于鄰接法（Neighbor-Joining）和基于最大似然法（MaximumLikelihood）構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹的原理和主要區(qū)別。在利用全基因組數(shù)據(jù)構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹時(shí)，這兩種方法相比，哪種可能更可靠，為什么？四、基因家族的擴(kuò)張和收縮在物種進(jìn)化中扮演著重要角色。請解釋什么是基因家族？并描述至少兩種導(dǎo)致基因家族規(guī)模變化的機(jī)制，簡要說明每種機(jī)制對物種進(jìn)化的可能意義。五、結(jié)構(gòu)變異（StructuralVariations,SVs）如染色體易位、倒位和缺失等，是基因組變異的重要組成部分。請列舉三種常用的檢測基因組間結(jié)構(gòu)變異的生物信息學(xué)方法，并簡要說明其中一種方法的原理。六、假定為研究鳥類鳴唱行為的遺傳基礎(chǔ)，研究人員比較了夜鶯和其近緣物種黃鸝的基因組。他們發(fā)現(xiàn)夜鶯基因組中一個(gè)包含多個(gè)聲音控制相關(guān)基因的區(qū)間在黃鸝基因組中發(fā)生了大片段缺失。請分析這一基因組結(jié)構(gòu)變異可能對夜鶯的鳴唱行為演化產(chǎn)生什么影響？在分析這一現(xiàn)象時(shí)，比較基因組學(xué)還可能涉及哪些其他方面的數(shù)據(jù)或分析？七、適應(yīng)性演化是物種適應(yīng)環(huán)境變化的關(guān)鍵過程。比較基因組學(xué)可以通過多種途徑研究適應(yīng)性演化。請列舉三種利用比較基因組學(xué)數(shù)據(jù)研究適應(yīng)性演化的方法，并簡要說明每種方法的基本思路。八、隨著高通量測序技術(shù)的發(fā)展，比較基因組學(xué)研究面臨著海量數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)。請簡述在處理大規(guī)模多物種基因組比較數(shù)據(jù)時(shí)，生物信息學(xué)家可能遇到的三個(gè)主要技術(shù)挑戰(zhàn)，并分別提出至少一種應(yīng)對策略。試卷答案一、核心目標(biāo)：揭示不同物種基因組之間的差異、相似性及其演化歷史。主要作用：通過比較基因組構(gòu)成和變異，推斷物種間的進(jìn)化關(guān)系（系統(tǒng)發(fā)育），理解基因組演化的模式（如基因復(fù)制、丟失、重組、染色體重排），識(shí)別與特定性狀或適應(yīng)性進(jìn)化相關(guān)的基因組區(qū)域。二、局部序列比對：尋找兩個(gè)序列中相似的短片段，不要求覆蓋整個(gè)序列。全局序列比對：將兩個(gè)序列從首尾開始進(jìn)行完整比對，盡可能找到全局范圍內(nèi)的最優(yōu)匹配。比較結(jié)構(gòu)差異較大的基因組時(shí)，局部比對可能更適用，因?yàn)槿直葘?huì)強(qiáng)加一個(gè)不存在的整體相似性，導(dǎo)致比對結(jié)果不理想；局部比對能識(shí)別出可能存在的功能域或進(jìn)化上保守的片段，即使基因組整體差異很大。三、鄰接法（Neighbor-Joining）：基于距離矩陣，每次找到距離最近的兩棵樹，合并成一棵新樹，然后更新距離矩陣，重復(fù)直至所有節(jié)點(diǎn)合并成一棵大樹。原理簡單，計(jì)算速度快。最大似然法（MaximumLikelihood）：基于一個(gè)特定的進(jìn)化模型（如JTT、Gamma分布等），計(jì)算所有可能樹形下觀測到當(dāng)前數(shù)據(jù)集的概率，選擇概率最大的樹作為最優(yōu)樹。原理更嚴(yán)謹(jǐn)，能考慮模型參數(shù)，但對于大數(shù)據(jù)集計(jì)算量巨大。利用全基因組數(shù)據(jù)構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹時(shí)，最大似似然法可能更可靠，因?yàn)槿蚪M數(shù)據(jù)量巨大，能提供更豐富的進(jìn)化信息，而最大似然法能更好地利用這些信息，并通過模型校正數(shù)據(jù)中的偏差。四、基因家族：指由功能相似、通過共同祖先基因經(jīng)過復(fù)制事件（如基因重復(fù)）衍生而來的基因集合。導(dǎo)致基因家族規(guī)模變化的機(jī)制：1.基因復(fù)制（Duplication）：產(chǎn)生基因副本，一個(gè)副本可能保留原功能，另一個(gè)可能發(fā)生功能divergence，導(dǎo)致基因家族擴(kuò)張。意義：增加了遺傳多樣性，為新功能演化提供了原材料。2.基因丟失（GeneLoss）：基因家族中的某個(gè)成員在進(jìn)化過程中被丟失。意義：減少了基因組負(fù)擔(dān)，可能導(dǎo)致物種特有性狀的丟失或功能簡化。五、常用方法：1.基于錨點(diǎn)序列比對（Anchor-based，如MapReduce）。2.基于配對末端序列（Paired-endreads）分析（如DELLY,Lumpy）。3.基于結(jié)構(gòu)變異檢測算法（如Manta,SVABA）。其中一種方法原理（以DELLY為例）：首先利用配對末端序列構(gòu)建高密度圖，識(shí)別可能發(fā)生斷裂的區(qū)域；然后通過最大期望（EM）算法或圖論方法，結(jié)合參考基因組信息，組裝斷裂片段，并評估不同結(jié)構(gòu)變異候選方案的概率，最終確定SV類型和位置。六、大片段缺失可能導(dǎo)致夜鶯基因組中相關(guān)聲音控制基因的表達(dá)水平降低或完全丟失，這可能限制了其鳴唱行為的復(fù)雜性或多樣性。此外，缺失區(qū)域可能還包含其他與行為或感官相關(guān)的基因，其丟失也可能間接影響鳴唱。在分析這一現(xiàn)象時(shí)，比較基因組學(xué)還可能涉及：1.比較夜鶯和黃鸝基因組中其他與神經(jīng)系統(tǒng)、聽覺或行為相關(guān)的基因序列差異（如SNP、Indel）。2.分析缺失基因的基因表達(dá)模式（如在腦部區(qū)域的表達(dá)）。3.結(jié)合化石記錄或行為學(xué)觀察，探討該基因組缺失與鳴唱行為演化之間的關(guān)聯(lián)。七、方法：1.基因表達(dá)譜比較：比較不同環(huán)境或處理下物種的基因表達(dá)差異，識(shí)別差異表達(dá)且在進(jìn)化上相關(guān)的基因，這些基因可能經(jīng)歷了適應(yīng)性選擇。2.基因家族擴(kuò)張/收縮分析：比較物種間基因家族的大小差異，重點(diǎn)關(guān)注在特定物種中顯著擴(kuò)張或收縮的基因家族，這些基因家族可能與物種的適應(yīng)性特征相關(guān)。3.選擇性掃描（SelectiveSweepAnalysis）：利用分子進(jìn)化模型（如PAML），檢測基因組中是否存在經(jīng)歷陽性選擇（適應(yīng)性選擇）的基因或區(qū)域，通常表現(xiàn)為這些基因的密碼子使用偏離中性進(jìn)化預(yù)期。八、技術(shù)挑戰(zhàn)與應(yīng)對策略：1.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理：海量數(shù)據(jù)需要大規(guī)模存儲(chǔ)和高效索引。策略：使用高性能計(jì)算集群、分布式文件系統(tǒng)（如HadoopHDFS）、專門的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式（如BAM,VCF）和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。2.計(jì)算資源需求：多物種基因組分析涉及復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)，對計(jì)算能力要求高。策略：利用云計(jì)算平臺(tái)（如AWS,GC